Auf Abstand

In vielen industriellen Anwendungen kommen klassische und digitale Berührungsthermometer schnell an ihre Grenzen. Das kann zum einen damit zusammenhängen, dass das zu messende Objekt zu heiß ist, wie es beispielsweise in der Stahlindustrie häufig der Fall ist. Andererseits kann es auch bei elektrischen Leitungen oder schwer erreichbaren Oberflächen wichtig sein, ihre Temperatur zu kennen. Ein weiterer Nachteil von Berührungsthermometern ist die verhältnismäßig lange Ansprechzeit, da es immer etwas dauert, bis das Gerät die Temperatur des Zielmediums angenommen hat.

Jedes Objekt strahlt

In solchen Anwendungsgebieten kann man sich die natürliche Wärmestrahlung zu Nutze machen. Alle Objekte, dazu zählen auch Flüssigkeiten, Gase und Plasmen, geben abhängig von ihrer Temperatur eine Strahlung ab. Für Gegenstände bei Raumtemperatur befindet sich diese meist im mittleren Infrarotbereich, bei besonders heißen Objekten kann allerdings auch sichtbares Licht oder noch kurzwelligere Strahlung abgegeben werden. Dies ist zum Beispiel bei glühenden Metallen oder Sternen zu beobachten.

Ein Problem bei der Wärmestrahlung von Gegenständen ist, dass nicht alles, was gemessen wird, auch vom Objekt selbst stammt. Stattdessen gibt es immer einen Anteil, der lediglich reflektiert wird, also aus einer externen Quelle kommt. Wenn man beispielsweise versucht, die Temperatur eines Aluminiumbleches unter freiem Himmel zu messen, stammt ein Großteil der Wärmestrahlung von der Sonne, da das Blech sehr gut reflektiert.

Der schwarze Strahler als Optimum

Demnach gilt: Je besser eine Oberfläche in der Lage ist, Strahlung zu absorbieren, desto weniger wird reflektiert und desto größer ist auch der Anteil in der gemessenen Wärmestrahlung, der vom Objekt emittiert wurde. Das Verhältnis von Absorption zu Reflexion wird deshalb auch als Emissionsgrad bezeichnet.

Als theoretisches Optimum gibt es in der Physik den sogenannten schwarzen Strahler. Dieser absorbiert frequenzunabhängig sämtliche elektromagnetische Strahlung, die auf ihn trifft. Die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht, ist also vollständig auf seine Temperatur zurückzuführen, er besitzt einen Emissionsgrad von eins. Reale Objekte haben zwar bei bestimmten Wellenlängen häufig einen hohen Emissionsgrad, können diesen aber nicht unabhängig davon erreichen. Deshalb werden sie auch als graue Strahler bezeichnet.

Wichtig für Pyrometer

Der Emissionsgrad spielt deshalb bei Thermometern, die die Temperatur via Infrarotstrahlung messen, eine große Rolle. Solche Geräte werden als Pyrometer bezeichnet, können je nach Modell einen Temperaturbereich zwischen minus 50 und 3.000 Grad Celsius abdecken und haben grundsätzlich einen einfachen Aufbau: Sie bestehen aus einer optischen Linse, einem Infrarot-Detektor und einer Auswertelektronik, die das Signal des Detektors in die gemessene Temperatur umwandelt. Hinzu kommen meist noch Filter und Blenden, durch die die Infrarotstrahlung begrenzt werden kann.

Über die Auswertelektronik des Pyrometers ist letztlich auch der Emissionsgrad des gemessenen Objekts einstellbar, auch wenn manche Modelle mit einem festen Emissionsgrad von 0,95 arbeiten. Solche Universalwerte können allerdings zu starken Messfehlern führen, wenn man bedenkt, dass beispielsweise Aluminium einen Emissionsgrad von etwa 0,1 besitzt, während Papier auf 0,97 kommt.

Anpassungen machen Messung präziser

Da der Emissionsgrad aber nicht nur vom Material, sondern auch von dessen Temperatur und der gemessenen Wellenlänge abhängt, gibt es in modernen Pyrometern weitere technische Anpassungen. Bei der sogenannten Mehrfarbenmessung wird die eintreffende und gefilterte Infrarotstrahlung in zwei Wellenlängen unterteilt. Aus dem Energieverhältnis der beiden Teilstrahlungen kann letztlich eine präzisere Angabe der Temperatur erfolgen.

Durch all diese Verbesserungen und die verhältnismäßig schnelle und einfache Anwendung ist die Analyse der Wärmestrahlung mittlerweile eine der verbreitetsten Methoden für die Temperaturmessung. So werden beispielsweise industrielle Prozesse heutzutage größtenteils mithilfe von Infrarot-Messgeräten überwacht. Aber auch in der Astronomie spielt die Wärmestrahlung eine große Rolle. Über sie werden beispielsweise Sterne in verschiedene Klassen unterteilt.

Wärmebildkamera liefert Gesamteindruck

Eine Sonderform der Infrarot-Temperaturmessung sind Wärmebildkameras, mit denen beispielsweise überprüft wird, an welcher Stelle ein Gebäude besser gedämmt werden sollte. Sie sind nur bedingt mit den Thermometern vergleichbar und ähneln eher herkömmlichen Fotokameras. Der Hauptunterschied besteht darin, dass ihr Sensor nicht das sichtbare Licht, sondern die Infrarotstrahlung aufnimmt. Damit dies präzise funktioniert, muss der Sensor in den meisten Modellen allerdings stark gekühlt werden. Das aufgenommene Bild wird letztlich in Graustufen dargestellt oder in Falschfarben aufbereitet.

Deutlich unkomplizierter sind dagegen Pyrometer, die Fieber beziehungsweise die Körpertemperatur messen sollen. Hier sind sowohl die Oberflächenbeschaffenheit, also die Haut, als auch der Abstand bei der Anwendung kaum variabel. Über einen Infrarot-Scan der Stirnfläche oder des Ohrs kann die Körpertemperatur deshalb sehr präzise bestimmt werden. Im Inneren des Ohrs kann man aufgrund der Abschirmung sogar fast von einer Schwarzkörperstrahlung ausgehen.